一种新型结构磁流变阻尼器

郝瑞晓， 邢海军， 郝瑞参， 王荣栋， 杨绍普

（石家庄铁道大学 机械工程学院，河北 石家庄 050043）

0 引言

磁流变阻尼器（MRD）是具有磁流变液（MRF）可控特性的阻尼器件，在土木、车辆、建筑、机械工程等振动控制领域得到广泛关注［1－4］。当没有磁场时，磁流变液是很好的牛顿流体；当在它周围施加磁场时，仅仅需要毫秒级的时间磁流变液就会快速转化为粘塑性流体［5］。其屈服强度受控于磁场强度。利用MRF的可控特性制作的MRD具有阻尼力调节范围宽泛，响应快速，结构简单，方便控制等优点［6－7］。

常见MRD的电磁线圈绕于活塞上，环状通道设置在活塞上或设在活塞与缸体的间隙之间。给MRD施加电场时MR流体流过环状通道，从而产生阻尼力［8－9］。给电磁线圈通电后，在环状通道内产生磁场，磁场的方向和磁流变液流动的方向相垂直，调节施加给电磁线圈的电流来改变环状通道内的磁场强度，就可以控制MRF的流变特性从而达到控制阻尼力的目的［10］。这种结构有以下缺点：（1）电磁线圈缠绕在活塞上，周围被MR流体包围，工作时产生的热量积聚在线圈附近，容易烧毁线圈；（2）当线圈烧坏需要更换时，密封结构不容易拆卸；（3）线圈外接电源时需要在活塞杆上钻孔引线，这样MRF很容易在引线部位泄漏；（4）活塞的结构过于紧凑，容易产生磁场饱和现象，限制了阻尼力的调节范围；（5）活塞的轴向尺寸较大，当MRD的轴向安装尺寸受到限制时，会减小活塞的有效行程，尤其是为了提高阻尼器的阻尼力而采用多级活塞时，这种情况更明显。

为了克服上述缺陷，本文提出了一种新型结构的MRD，该MRD主要包括内层缸筒、外层缸筒和线圈组件，其中线圈组件固定于外层缸筒的外侧。电磁线圈不与磁流变液接触，具有线圈组件装拆方便、散热良好、能够提高磁流变阻尼器活塞的有效行程等优点。多个线圈串联，可以增加阻尼器的阻尼力调节范围。电磁线圈通电时会在MRD的磁流变液通道内产生有效磁场，MRD的磁流变效应明显。

1 新型MRD的结构

新型MRD的结构如图1所示，主要包括缸底耳环、缸底、缸底密封、浮动活塞、浮动活塞密封、活塞、活塞密封、活塞杆、缸盖、缸盖密封、活塞杆耳环、内层缸筒、外层缸筒组件、紧定螺钉和线圈组件。浮动活塞、上盖和内层缸筒构成的腔体称为MR腔，其中缸盖、活塞与内层缸筒构成MR上腔；浮动活塞、活塞和内层缸筒构成MR下腔；缸底、内层缸筒和浮动活塞构成蓄能腔。内层缸筒与外层缸筒之间的环状通道为MR流动通道，内层缸筒上部及下部开有通流孔。MR腔及MR流动通道内，充满磁流变液。当活塞上下移动时，MR由MR上腔（或下腔）流经通流孔及MR流动通道回到下腔（或上腔）。

图1 新型MRD结构

线圈组件通过紧定螺钉固定于外层缸筒。新型MRD的线圈组件直接套装在阻尼缸筒的外侧，这样线圈不与MRF直接接触，当线圈出现故障需要更换时不用拆卸密封装置，直接将线圈组件拆下更换即可，也避免了在活塞杆上钻孔引出线圈导线不方便且容易泄露MRF的现象发生；同时多个线圈串联也会使阻尼力的调节范围增大。

内层缸筒结构如图2所示，在内层缸筒的上端和下端（位于蓄能器上部）沿周边分布若干个通流孔将磁流变液腔与环状通道联通，通流孔联通了MR内腔和MR流动通道。工作时活塞在内层缸筒上端和下端的通流孔之间上下运动。内层缸筒采用高磁导率软磁材料制作，内层缸筒与上盖、缸底之间为小间隙配合。

2 新型MRD的磁路设计

新型MRD内层缸筒全部导磁，外层缸筒为导磁段和不导磁段间隔的结构，线圈组件上各部分也为导磁段和不导磁段间隔的结构，而且相对应的导磁段和不导磁段长度相同。这样线圈工作时会在内层缸筒和外层缸筒之间形成分段的有效磁场，根据线圈的个数划分有效磁场形成区域，每个区域内会形成相应的磁路。图3为外层缸筒结构剖视图，上部为不导磁段，下部为不导磁段，其中中部导磁段和不导磁段为间隔设置结构，通过焊接将各段连接起来。外层缸筒的导磁段采用高磁导率软磁材料，不导磁段采用不导磁材料，中部导磁段与不导磁段的长度与线圈组件上导磁段和不导磁段的长度相同。

图2 内层缸筒剖视图

图3 外层缸筒剖视图

图4为线圈组件的剖视图。线圈组件主要由导磁套筒、导磁环、线圈缠绕体和电磁线圈组成。导磁环和导磁套筒制作材料为高磁导率软磁材料。图4中导磁环分为上端导磁环、中部导磁环和下端导磁环，中部导磁环将线圈分别隔开，上端导磁环和下端导磁环上分别设有螺纹通孔。整个线圈组件通过紧固螺钉固定于外侧缸筒，拆卸线圈组件时直接松开紧固螺钉即可，方便简单。

图4 线圈组件剖视图

图5为线圈组件中的线圈缠绕体剖视图，采用导磁段和不导磁段间隔设置的焊接结构，其中导磁段和不导磁段的长度和外层缸筒中部结构的导磁段和不导磁段的长度一致，导磁段材料采用高磁导率软磁材料。为了便于进行磁路分析和计算，需要分析磁路的形成原理。新型MRD线圈组件中的两个导磁环、导磁套筒和线圈缠绕体的不导磁段将单个线圈包围起来，内层缸筒和外层缸筒之间的MR流动通道内充满MRF，在线圈形成的有效磁场区域内，会形成如图6所示的磁路。

图5 线圈缠绕体剖视图

图6 MRD的磁路

3 MRD磁路分析

通过对磁路的分析，可以对MRD的结构尺寸进行更加合理的设计。磁路中可以将MRD看作两部分：一部分为导磁材料组成的实体部分；另一部分为MR阻尼通道间隙，里面充有磁流变液体。这里内层缸筒、外层缸筒导磁段、线圈缠绕体导磁段、导磁环和导磁套筒采用40号低碳钢材料，不导磁段采用黄铜材料，磁流变液采用美国LORD公司生产的MRF－132LD磁流体。表1列出MRF－132LD磁流体和低碳钢的其他磁性参数值。

表1 低碳钢和磁流变液的磁性参数值

3.1 MRD的电磁场理论计算分析

以便于和用ANSYS软件分析出来的MRD磁场强度做对比，MR阻尼通道间隙设置为h＝1mm，其他结构尺寸参数如表2所示。

磁路欧姆定律是计算激励电流和磁路设计中磁场强度关系的基础公式，是所有电磁设备设计和制作的基础。对于此MRD的设计，由安培环路定理

表2 磁流变阻尼器的结构尺寸参数值

可以得出公式

式中，H为线圈铁芯的磁场强度；I为励磁电流；N为电磁线圈的匝数；l为磁路的平均长度。磁感应强度公式为

磁通量公式为

式中，μ为线圈铁芯的磁导率；S为铁芯横截面积。线圈铁芯横截面积S＝π×（r26－r25），得出S＝201π。将公式（2）、（3）带入公式（4）得出

忽略漏磁因素所形成的磁力线的走向为：先通过内层缸筒到达MR流动通道；而后依次穿过外层筒导磁段、线圈缠绕体导磁段、导磁环，再依次穿过下部导磁环、线圈缠绕体导磁段、外层缸筒导磁段、MR流动通道和内层缸筒，最后形成一个闭合回路。磁路沿轴向长度l＝50mm，其中导磁环轴向长度L1＝10mm，电磁线圈轴向长度L2＝40mm。磁路中沿轴向方向的电阻计算式为

磁力线依次穿过的各个导磁段横截面积的电阻计算式为

式中，S为所求各段电阻的横截面积，S＝π×（D2－d2）／4；l为所求各段电阻的长度。这样磁路中总电阻为

式中，R1为内层缸筒轴向电阻；R6为导磁套筒电阻；R0为阻尼间隙内空气的电阻；R2为内层缸筒横向电阻；R3为外层缸筒电阻；R4为线圈缠绕体电阻；R5为导磁环电阻。

当MRD尺寸按表2所给参数计算时，MRF－132LD的饱和磁感应强度B＝0.8 T，此时磁场强度Hf＝1.5×105A／m。由于MR间隙内存在磁流变液，μ不能按空气磁导率μ0计算，此时R总约为700Ω，取N＝300匝，综合以上公式计算出达到饱和时的电流I为

将各个参数值代入公式（9），最后得出饱和电流Im的值：Im＝3.33 A。

将μ钢＝715μ0，μ液＝5μ0（其中μ0＝4π×10－7），代入公式（1）（2）（3）（4）计算得出此时磁场强度公式

将磁场强度公式（11）代入磁感应强度公式（3），得出磁感应强度B与磁导率μ的关系

当I＝2 A时，R总＝989.58Ω，此时未达到饱和电流Im的值，可知计算结果有效。MRD间隙内的磁场强度 H＝271.116 8（A／m）。

3.2 MRD的有限元分析

利用有限元软件可以更精确地分析MRD在阻尼间隙内的磁场强度分布和磁力线分布。由于新型磁流变阻尼器为轴对称结构，只对其二分之一结构进行电磁场有限元分析。约束条件为：磁通量的作用方向和轴对称分析结构的表面相平行，即Az＝0。根据静态磁场有限元分析步骤对其进行建模分析：（1）首先对两种MRD创建物理环境；（2）在ANSYS环境下对两种MRD进行建模，然后经过单元的选择，网格的划分、对两种模型的不同区域赋予材料特性；（3）加载约束条件；（4）求解；（5）后处理［11－12］。

根据表2列出的新型MRD结构尺寸建立二维模型，并分析在励磁电流I＝2 A时阻尼间隙内的磁力线分布情况。图7、图8分别为设计尺寸参数下MRD的有限元模型和MRD磁力线分布。

图7 I＝2A时模型分块图

图8 I＝2A时磁力线分布

由图8可见，大部分磁力线绕内缸筒经内层缸筒、外层缸筒组件、线圈缠绕体、导磁环及导磁套筒流回，形成封闭的闭合曲线；只有4根磁力线经内层缸筒直接与导磁套筒相接。在磁流变液阻尼通道之处的磁力线几乎平行分布，与磁流变液的流动方向几乎相垂直。

仿真得出I＝2 A，N＝300匝时MR间隙内的磁流变液在水平方向的磁场强度H值分别为224.11 A／m、283.54 A／m、363.58 A／m、376.27 A／m、59.216 A／m、119.05 A／m、174.50 A／m。取最大值和最小值的平均值，得出此时磁场强度H＝217.743 A／m。

当励磁电流I分别取0.4、0.8、1.2、1.6、2.0、2.4、2.8、3.2、3.6、4.0时，仿真不同励磁电流下的磁感应强度值B，列出仿真结果如表3所示。

表3 电流I取不同值时磁感应强度B的平均值

根据表3仿真得出的励磁电流I不同时MRD阻尼间隙内磁感应强度B的平均值。用MATLAB软件画出电磁场理论分析和有限元分析时MR阻尼通道内MRF的I－B曲线。这样更加直观地描述随着激励电流的增大磁感应强度的变化情况。为了验证新型MRD结构设计的可行性，将忽略漏磁的情况下对新型MRD电磁场分析的理论值和利用ANSYS软件对新型MRD有限元分析的实际值进行比较。图9为MR阻尼通道内磁流变液的I－B曲线。

图9 MR阻尼通道内MRF的I－B曲线

4 结论

提出了一种新型磁流变阻尼器的结构设计，克服了常见磁流变阻尼器的缺陷和不足，尤其描述了阻尼缸筒和线圈组件的设计结构。阐述了其工作原理及材料的选择。分别通过电磁场理论分析和应用ANSYS软件对新型MRD进行了静态磁场分析。分析结果表明：大部分磁力线绕内缸筒经内层缸筒、外层缸筒组件、线圈缠绕体、导磁环及导磁套筒流回，形成封闭的闭合曲线，只有少数磁力线直接由内层缸筒与导磁套筒相接；MR通道之处的磁力线几乎平行分布，与磁流变液的流动方向几乎相垂直；相同尺寸的MRD饱和电流相差不大；在允许的电流范围内利用电磁场理论分析和有限元软件分析MR阻尼间隙内的磁场强度值几乎相等。根据理论分析和有限元分析可知这种新型MRD的结构设计是可行的。

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